Видимо-невидимо

Пятнадцать лет назад специалистам калифорнийской лаборатории IBM удалось расположить 35 атомов ксенона на поверхности кристалла никеля таким образом, что на нем проявились три буквы названия компании. Это было сделано механическим способом: атом ксенона буквально стекал с наноинструмента, как капля чернил, и оказывался в одном ряду со своими собратьями. Получилась небольшая научная сенсация. Последнее открытие российских ученых из Института спектроскопии РАН тянет на сенсацию побольше, поскольку они не просто научились выводить буквы при помощи атомов, а овладели технологией воспроизводства миллионными тиражами сложных графических изображений.

Амбициозные планы

Людям, не искушенным в науке, трудно понять, что означает приставка "нано" применительно к технологиям. В лучшем случае собеседник будет кивать головой, догадываясь, что речь идет о каких-то продвинутых исследованиях в области hi-tech. И окажется почти прав. Приставка "нано" употребляется в том случае, когда исследователи имеют дело с системами, достигающими нанометровых размеров, то есть очень маленьких. Нанометр - это одна миллиардная часть метра, в которой умещается порядка 7-10 атомов водорода. К слову, толщина человеческого волоса составляет 50 тысяч нанометров. Впечатляет? "Когда физик работает со структурами такого размера, - рассказывает доктор физико-математических наук, профессор Виктор Балыкин, заведующий лабораторией лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН, - он погружается в совершенно другой мир - микромир со своими необычными законами и качествами". Для нанофизиков, как они сами себя величают, это не просто новое направление в науке, а иная культура, если хотите, философия, которая лежит в основе работы с невидимой человеческому глазу материей.


Так схематически выглядит работа вакуумной пушки. Пучки атомов проходят через мембрану и фокусируются на поверхности.

Профессор Балыкин - один из немногих сегодня в мире людей, знающих дорогу туда, где среди мельчайших элементарных частиц таятся большие научные открытия. Еще каких-то пятнадцать лет назад то, чем сегодня занимаются физики из подмосковного Троицка, относилось к области смутных теорий, а теперь это красивые идеи, реализуемые на практике. "Знаменитый эксперимент IBM, в результате которого собрали по частице наноструктуру, это уже вчерашний день, - говорит сотрудник лаборатории кандидат физико-математических наук Павел Мелентьев. - Мы сегодня работаем над тем, как при доставлении атома на определенную поверхность создавать структуры тиражом в миллион экземпляров". Планы физиков выглядят весьма амбициозно. Однако никакой бравады здесь нет, а есть вполне реальные результаты экспериментов.

Невидимые рисунки

В лаборатории лазерной спектроскопии, куда меня пригласили ученые, громоздится тяжелая платформа, уходящая своим основанием на три метра под землю. Работа с элементарными частицами не терпит не только суеты, но и микроземлетрясений. "Бывает даже, что близлежащее Старокалужское шоссе при сильном транспортном потоке может влиять на результаты экспериментов", - сетует Павел Мелентьев. Поэтому лучшее время для исследований - это поздний вечер.

На платформе установлена массивная хромированная аппаратура, состоящая из множества камер, хитроумных приборов, бесчисленных трубок, - это весьма дорогостоящая вакуумная пушка. В махину погружается источник атомов - обычная хромовая пластинка. Кстати, вместо хрома могут использоваться германий, цинк или золото. В вакуумной камере пластинку постепенно нагревают, и атомы хрома начинают отлетать от нее по горизонтальной прямой.

Помните, как простая оптическая линза помогает добывать огонь? В микромире, конечно, не все так просто, и чтобы "возгорелось пламя", необходимо учесть множество всяких факторов. Помогла, как обычно, смекалка. На пути потока элементарных частиц ученые решили поставить нечто такое, что сыграло бы роль оптической линзы и сфокусировало атомы в мельчайшую наноточку. Такого в мире еще не делал никто!


Для того чтобы получить изображение символа своего института - лямбду , троицкие ученые использовали нанотрафарет

Роль линзы в эксперименте выполняют незаметные человеческому глазу отверстия в мембране толщиной в несколько микрометров. Таких дырочек на мембране около миллиона. Поток атомов, миновав отверстия, соответственно образует миллион наноточек необходимого вещества. Но что интересно, потоком атомов можно управлять, поставив на его пути трафарет: на выходе получится задуманное изображение. Его размер таков, что можно смело утверждать: более мелкие графические воспроизведения никому в мире еще создать не удалось! Чтобы сделать свой метод более эффективным, ученые прибегли к технике, которую использовал... Леонардо да Винчи для зарисовок с натуры! Это камера-обскура - светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок. Лучи света, проходя сквозь это отверстие, создают изображение на противоположной стене, где предмет отображается в перевернутом виде. А почему бы не создать нечто подобное, подумали троицкие исследователи.

Казалось бы, все просто, проковырял загодя миллион маленьких отверстий в тончайшей пленке-мембране, и результат достигнут. И зачем тогда тратить столько времени и бюджетных денег? Однако мембрану следовало еще где-то раздобыть. Изготовить ее, как выяснилось, можно было только в ускорителе ионных частиц. Пришлось обращаться за помощью к коллегам - в Объединенный институт ядерных исследований в Дубне. Там охотно пошли навстречу и подключились к участию в не имеющем аналогов эксперименте. Тончайшую пленку (толщина 10 микрометров) погрузили в ускоритель, разместив ее на пути заряженных частиц. Каждая из них спокойно пробила отверстие диаметром меньше нанометра. Затем группе ученых-химиков пришлось поломать голову над тем, как добиться того, чтобы отверстия получались нужного размера и формы. Например, для прохождения атомов хрома требовались конусообразные очертания. И эта задача была решена: мембрану придумали вытравливать при помощи сложного химического раствора, основными компонентами в котором являлись соединения йода.

Есть рекорд!

Теперь о том, какую пользу эти эксперименты могут принести человечеству.



Исследователи демонстрируют мне лист обычного формата, на котором красуется символ Института спектрометрии - греческая буква "лямбда". Затем точно такое же изображение, только полученное путем атомной литографии, мне предлагают разглядеть через атомный силовой микроскоп.

Физики рассказывают о своем детище с особой интонацией. Будто говорят о некоем одушевленном существе. "Вот здесь, видите, маленький хвостик, - рассказывает профессор Балыкин, - его толщина составляет меньше 50 нанометров. В настоящее время промышленные чипы, небольшие микросхемки, имеют ширину полоски-проводника порядка 90 нанометров. Когда я говорю, что ширина нашей лямбды составляет меньше 50 нанометров, это значит, что мы пока не располагаем таким инструментом, который мог бы измерить ее реальную толщину. Другими словами, рекорд есть, но выразить его цифрами можно будет только тогда, когда появятся атомные микроскопы нового поколения".

Для обывателя может показаться, что в общем-то ничего серьезного не произошло. Ну подумаешь, отвоевали несколько нанометров в борьбе за минимизацию электронных устройств. Однако для науки результаты экспериментов троицких исследователей имеют огромное значение. Спустя время идеи начнут воплощаться в "железо", и тогда с конвейера будут сходить удивительные устройства, основной начинкой которых станут микрочипы, полученные путем атомной литографии. Вот тогда-то человечество ступит на порог технической революции.

"Человеческой фантазии нет предела!" - заявляет Павел Мелентьев. Уже сейчас сотрудники института работают над созданием чипа для квантового нанокомпьютера - принципиально новой машины будущего. Только попробуйте представить себе квантовый компьютер, созданный всего лишь из сотни атомов, которыми можно будет управлять. И тогда компьютерный сервер крупной компании уместится в кармане пиджака. Подобный аппарат сможет за считаные часы выполнять такие вычисления, на которые современным компьютерам требуются столетия.


Профессор Виктор Балыкин на протяжении последних пятнадцати лет пытается приручить атом. Созданная в его лаборатории вакуумная камера позволила ученым заглянуть в глубины микромира
(Фото: Владимир Новиков)

Пока ученые умеют управлять не более чем двумя-тремя атомами. Если судить по единицам измерения информации, то это составляет несколько квантовых битов. Это очень мало, но тем не менее уже сам факт локализации трех атомов рассматривается как серьезный шаг на пути к созданию квантового чипа для машины будущего.

Последователи Левши

Ученые утверждают, что существуют два пути, по которым можно пойти, пытаясь создать наноструктурные объекты. Первый - это путь сверху вниз, при котором, к примеру, большой куб золота делят на несколько частей, а те в свою очередь еще на несколько, и так до предела технических возможностей. Другой путь - снизу вверх. Возможно, это тот самый путь, по которому развивалась Вселенная. Истина нанонауки, по мнению троицких исследователей, как раз и состоит в том, чтобы идти по второму пути - создавать нечто из отдельных атомов.

Помните, как англичане упрекали Левшу в незнании арифметики. Мол, если бы он произвел сложные расчеты, то понял, неотесанный, что подкованная блоха принципиально не сможет пуститься в пляс. Но российский умелец доказал, что смекалка может быть сильнее теоретических выкладок. Отчасти специалистов Института спектроскопии РАН можно назвать последователями Левши. "Команда Виктора Балыкина одной из первых в мире начала проводить опыты в области атомной оптики, - говорит ведущий научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН кандидат физико-математических наук Владимир Величанский. - Несомненно, эксперименты по манипуляции одиночными атомами важны для развития фундаментальной физики. Однако, чтобы воплотить науку в "железо", необходимы годы, особенно в России, где нет хорошей технической базы. Метод троицких ученых перекликается с тотальным стремлением общества к миниатюризации различных устройств. Если говорить о том, есть ли предел этому стремлению, то, конечно же, да. Устройство все равно не может быть по размерам меньше атома". И тем не менее уже сегодня троицкие ученые дают волю смелым фантазиям, размышляя о будущем нанотехнологий, и, честно говоря, дух захватывает от открывающихся перспектив. Сверхмощные и сверхминиатюрные компьютеры, сверхчувствительные и высокостабильные биодатчики, высокоэффективные топливные элементы на основе углеродных нанотрубок, синтетическая самовосстанавливающаяся биокожа, генетически модифицированные бактерии крошечных механизмов, виртуальные домашние животные и электронная прислуга - все эти вещи благодаря нанопрогрессу могут стать частью нашего мира.

<<< Предыдущая заметка

Оглавление

Следующая заметка >>>